不同南药-橡胶复合系统下橡胶树叶片稳定碳同位素及水分利用效率的变化①

王晶晶 林晓燕 吴炳孙 王桂花 吴文冠

（1中国热带农业科学院橡胶研究所农业部橡胶树生物学与遗传资源利用重点实验室/省部共建国家重点实验室培育基地—海南省热带作物栽培生理学重点实验室/农业部儋州热带作物科学观测实验站 海南儋州 571737；2海南大学林学院 海南海口 570228；3中国热带农业科学院橡胶研究所 海南海口 571101）

橡胶林是海南岛重要的生态系统之一，占到全岛已利用土地总面积的五分之一，面积超过53万hm2［1］。橡胶林下有巨大的发展空间，橡胶林单一种植模式对生态环境造成一定的影响，如生物多样性降低［2-6］、土壤理化性质恶化［7-8］、水土流失严重［9］等。胶农复合系统是橡胶林下套种其它经济作物，利用不同物种间生态互补功能所构建的群落系统，不仅可以增加土壤水分和土壤养分的吸收利用率，充分地利用水肥光热资源，还可以整体提高系统生产力，减缓水土流失、维持局部气候的稳定、提高生物多样性等［10］，是解决橡胶单一种植引起一系列生态问题的重要方式。近年来，受胶价低迷与中药材价格上涨和生态保护等因素的影响，南药-橡胶林这种胶农复合种植模式已成为促进橡胶增效和胶民增收的重要途径，据研究发现，益智-橡胶、巴戟-橡胶、五指毛桃-橡胶、葛根-橡胶、槟榔-橡胶等南药-橡胶复合系统显著改善土壤理化性质、保持水土、防止土壤冲刷、具有更好的水土保持能力［10-13］，但间作南药对橡胶树水分利用方面的影响，仍然缺乏系统和准确的认识，难于推荐出适宜本地的水分关系配置合理的复合橡胶林栽培模式。

水资源的高效利用对植物生长、发育和分布具有重要影响，然而橡胶林与间作植物配置的合理性最主要是看它们能否能够很好地协调碳同化和水分耗散之间的关系。植物叶片稳定碳同位素组成（δ13C）与植物长期水分利用效率（WUE）具有很强的相关性，可根据植物叶片的δ13C测算出植物有机质形成期间的长期水分利用效率（WUE），叶片δ13C是目前植物叶片长期水分利用效率研究的最佳方法［14］。因此，选择海南省儋州市3种南药-橡胶复合种植系统（益智-橡胶、五指毛桃-橡胶、葛根-橡胶）及橡胶单作系统为研究样地，利用稳定碳同位素法研究不同南药-橡胶复合系统下橡胶树叶片δ13 C值及水分利用效率的季节变化，分析水分利用效率的变化特征，为遴选出水分关系配置合理的复合橡胶林栽培模式提供保证。

1 材料与方法

1.1 试验样地概况

试验样地位于海南省儋州市中国热带农业科学院试验场三队，该区域海拔高度为114 m，地形平坦，土壤为花岗岩砖红壤，土层厚度约100 cm，多为沙质黏壤土。属典型热带海岛季风气候，年平均气温23.5～24.1℃，年日照时间2 450.0 h，无霜期365d，受热带季风影响，海南一年中有3个明显的季节划分，分别是在雾凉季（11月至次年2月）、干热季（3～4月）和雨季（5～10月），年均降水量约1 500～1 900 mm，雨季降雨量占全年降雨量80%以上，干季降雨量少。选取益智-橡胶、五指毛桃-橡胶、葛根-橡胶等胶农复合系统为研究样地（以下简称为益-胶、桃-胶、葛-胶），其中益智（Alpinia oxyphylla Miq.）为姜科药用植物，五指毛桃（Ficus hirta Vahl．）为桑科药用植物，葛根［Pueraria lobata（Willd.）Ohwi］为豆科缠绕状藤本。同时也选取位于试验区内定植2005年（同年）的单作橡胶林为对照样地，一共4种胶园。在胶农复合种植系统中，橡胶树的种植规格是3.0 m×7.0 m，植物与橡胶树间作相隔2 m左右，其中益智的种植规格为：1.5 m×1.5 m，五指毛桃种植规格为：0.5 m×0.6 m，葛藤扦插种植规格为0.35 m×0.35 m。所有样地地势平坦，海拔高度一致，各样地面积＞0.2 hm2，各样地相距＜1 km。各样地以两行橡胶树范图内的间作植物为一个调查小区。

1.2 橡胶树叶片枝条水势的测定

选择2019年1月（雾凉季）、2019年4月（干热季）、2019年9月（雨季中期）和2019年11月（干季初期）天气状况良好且稳定的一天，用便携式植物水势压力室进行野外测定。橡胶树叶片的枝条凌晨水势（Ψpd，4：00～6：00）和正午水势（Ψmd，12：00～14：00）。各样地分别选择3个调查小区，每一小区选择3株胸径相近橡胶树向阳各1～2个枝条，剪下后立即进行测量记录。

1.3 叶片的采集及δ13C值的测定

在测定正午水势（Ψmd）的同时，于每个调查小区内选择5棵胸径相近的橡胶树，采集林冠上的向阳叶片，带回实验室，用毛刷将样品表面的尘土刷净，再用烘箱105℃杀青1 h后调整为80℃烘干24 h，接着粉碎，过80目筛后制成供试样品，封存于密封塑料袋内放入干燥皿内以备分析用。最后用稳定同位素比质谱仪（precislON，德国）测定的植物叶片δ13C，用以下公式进行计算［15］：

式（1）中δ13C为对应样品的碳同位素值，R sam和R std分别为样品和国际通用标准物中元素的重轻同位素丰度之比（即13C/12C）。

1.4 土壤含水量的测定

土壤含水量的测定与植物水势测定是同一天上午，于每个调查小区内在橡胶树及其间作植物之间地势相对均一的地方，采用多点混合法取样，用土钻随机分别钻取0～20 cm、20～40 cm、40～100 cm 3个深度的土样，用烘干法测量。

1.5 基于稳定碳同位素的植物水分利用效率计算

C3叶片的稳定碳同位素分辨率Δ计算法为［16］：

式（2）中：a是气孔扩散过程中发生的分馏，其分馏值为4.4‰；b为羧化反应过程中发生的同位素分馏，其值为27‰；δ13Cp和δ13Ca分别为植物叶片和大气CO2的碳同位素比率；Δ13C为植物叶片中碳同位素值与大气中碳稳定同位素值之间的差；而Ci和Ca分别为细胞间和大气的CO2浓度。

大气CO2浓度（Ca）和碳同位素比率（δ13Ca）计算公式如下［17］。

式（3）（4）中，t是采样年份。因本研究中采样年份为2019年，代入公式（3）（4）算出Ca为385.5970µmol/mol、δ13Ca为-8.9846‰。

水分利用效率（WUE）通过Δ13C与Ca之间的关系计算获得：

式（5）中，A是光合速率，gs是气孔对水蒸气的传导率，数值1.6为传导率比率。

1.6 数据分析

所得数据用Excel 2016和SPSS 20.0软件进行分析，用Origin 9.0完成绘图。采用单因素方差分析分别比较不同间作模式下土壤含水量、叶片δ13C值、WUE、Ψpd和Ψmd的差异，用最小显著极差法（Duncan’s new multiple range test）进行多重比较分析。

2 结果与分析

2.1 不同胶园土壤含水量的季节变化

不同土层深度各胶园土壤含水量存在差异（图1）。0～20 cm、20～40 cm、40～100 cm、0～100 cm等土层4种橡胶园土壤平均含水量大小为益-胶复合系统≈桃-胶复合系统＞葛-胶复合系统＞橡胶单作，其中0～20 cm土层除了葛-胶复合系统与橡胶单作土壤含水量之间差异不显著外，其余样地之间土壤含水量的差异均达到显著水平（p＜0.05）。而其它土层各胶园样地之间土壤含水量差异均为不显著。各土层间土壤含水量相比较，表明各胶园土壤含水量随着土层深度的增加而逐渐增加，其中以0～20 cm深度最低，但差异不显著。

在4个调查时期中，不同土层深度各胶园土壤含水量存在季节变化（图2），0～20、20～40、40～100、0～100 cm等土层4种橡胶园土壤含水量9月为最大，4月为最小，而1月与11月介于居中。其中0～20 cm土层益-胶复合系统与桃-胶复合系统在4个调查时期的土壤含水量最高，季节变化显著（F=4.963，p＜0.05；F=7.443，p＜0.05），葛-胶复合系统的土壤含水量其次，且季节差异不显著（F=3.275，p＞0.05），橡胶单作系统的土壤含水量最低，季节差异也不显著（F=1.462，p＞0.05）。而其它土层深度各胶园样地土壤含水量季节变化均差异不显著。

图1 不同胶园各土层的土壤含水量

图2 不同胶园各土层土壤含水量的季节变化

2.2 不同胶园橡胶树叶片水势的季节变化

各胶园橡胶树凌晨水势Ψpd差异较小且季节变化小（图3A），其中在各月内（除了11月外）橡胶单作和葛-胶复合系统的Ψpd均大于益-胶复合系统和桃-胶复合系统，但差异不显著。

图3 各个胶园橡胶树叶片枝条水势的季节变化

在4个调查期内中，除了9月份雨季外，其它季节各胶园橡胶树的正午水势Ψmd差异加大（图3B），益-胶、桃-胶和葛-胶等复合系统的Ψmd极显著大于橡胶单作（F=17.838，p＜0.01）；各胶园橡胶树的Ψmd季节变化大致相同，1月至9月升高而11月下降，季节变化差异均达到极显著水平（p＜0.01），其中橡胶单作（F=12.026，p＜0.01）与葛-胶复合系统（F=22.683，p＜0.01）季节变化大，益-胶复合系统（F=9.716，p＜0.05）与桃-胶复合系统（F=9.092，p＜0.05）季节变化小。

2.3 不同胶园内的橡胶树叶片δ13C季节变化

不同胶园内的橡胶树叶片δ13C均值存在明显差异（图4）、差异达到极显著（F=8.302，p＜0.01），益-胶复合系统和桃-胶复合系统具有较高的δ13C均 值（-30.04±0.47）‰和（-30.59±0.68）‰，且显著高于葛-胶复合系统（-31.25±0.89）‰和橡胶单作（-31.28±0.74）‰。不同时橡胶树叶片的δ13C值也极显著差异（F=6.585，p＜0.01），多重比较结果显示，4月份橡胶树叶片的δ13C值显著高于其它月份，且其它月份差异不显著。

在4个调查时期中，各胶园橡胶树叶片δ13C值存在季节变化（图5），4种胶园橡胶树叶片δ13C值均在4月为最大，9月为最小，而1月与11月介于居中。其中益-胶复合系统与桃-胶复合系统的橡胶树叶片的δ13C值在4月显著高于其它月份，季节变化 显 著（F=5.370，p＜0.05；F=4.581，p＜0.05）；葛-胶复合系统橡胶树叶片的δ13C值季4月显著高于1月和9月，其它月份间差异不显著，季节变化显著（F=3.118，p＜0.05）；橡胶单作橡胶树叶片的δ13C值在9月显著低于1月和4月，季节变化显著（F=4.651，p＜0.05）。

图4 不同胶园橡胶树叶片δ13C的均值

2.4 不同胶园内橡胶树水分利用效率季节变化

不同复合种植胶园样地橡胶水分利用效率季节变化如图6所示，结果表明，橡胶水分利用效率在（41.65±4.57）～（69.89±2.49）μmol CO2·（mmolH2O）-1间波动变化，其平均值为（55.40±9.20）μmolCO2·（mmolH2O）-1，各个胶园橡胶水分利用效率季节变化与δ13C值的变化趋势相同，季节差异均达到显著，季节变化大，其中以4月水分利用效率最大，9月最小，而1月与11月居中。

图5 不同胶园橡胶树叶片δ13C的季节变化

不同胶园内的橡胶水分利用效率均值存在明显差异（图7）、差异达到极显著（F=8.302，p＜0.01），益-胶复合系统和桃-胶复合系统具有较高的 水 分 利 用 效 率 均 值（63.38±4.96）μmolCO2·（mmolH2O）-1和 （57.55±7.28） μmolCO2·（mmolH2O）-1，且显著高于葛-胶复合系统（50.51±9.53）μmolCO2·（mmolH2O）-1和橡胶单作（50.15±7.89）μmolCO2·（mmolH2O）-1。

图6 不同胶园橡胶水分利用效率的季节变化

3 讨论

3.1 土壤含水量的季节变化

橡胶林土壤含水量季节变化与雨旱季变化同步，据耿思文［18］等对橡胶林土壤水分动态变化分析，本研究中土壤水分积累期为5～9月，该时期是雨季，该段时间内密集大幅度的降雨为土壤提供了充足的水分来源；稳定期11月～次年2月，这段时间气温较低，湿度大，且胶树生长慢，在2月份后开始出现落叶，橡胶树减少蒸腾失水，并且落叶覆盖地表还能减少蒸发失水，使该时期在没有大规模降雨情况下土壤水分仍然能够保持相对平衡的状态；3～4月为消耗期，因为这段时间气温回升且胶树开始抽条生长，需水量大，对土壤水分消耗较大，该时期属于旱季，降雨量少，土壤水分处于全年最低状态。本研究中各胶园土壤含水量在9月（雨季）为最大，4月（旱季）为最小，而1月与11月（旱季初期）介于居中，与前人研究结果基本一致，因此降水是影响林下土壤水分季节性变化的重要因素之一［19］。

图7 不同胶园橡胶水分利用效率的均值比较

各胶园0～20 cm深度的土壤含水量相比其它土层深度要低，这与橡胶树及间作植物的根系分布有关。橡胶树、益智、五指毛桃和葛藤的根系主要分布，主要吸收0～30 cm深度的土壤水分［20-22］，并根据曾欢欢［22］研究表明，橡胶林生长的耗水层主要位于浅层地表，雨季时主要利用0～5 cm深度土壤水（81.6%），干季时利用5～15 cm深度土壤水（49.6%），从而导致表层土壤含水量较低水平。

在胶园0～20 cm表层，益-橡胶与桃-橡胶等多层植被覆盖的胶农复合系统，保水能力都要强于单层植被覆盖的纯橡胶林（即单层橡胶林），这可能是由于多层植被覆盖可以很大程度上减弱表层土壤水的蒸发，增强了表层土壤的保水能力。但葛-橡胶复合系统与单层纯橡胶林之间表层土壤含水量没有显著差异，这可能跟葛藤生长有关系，葛藤是攀附在地表生长，且在冬季地上部分会死亡，未能形成多层植被覆盖有关，有待进一步研究。而其它深层的土壤含水量各胶园间没有显著差异，这可能与地下水供应有关系，有待进一步研究。

3.2 橡胶树叶片枝条水势的季节变化

各胶园橡胶树的凌晨水势Ψpd差异较小且季节变化也较小，这跟土壤水在各季节的稳定性供给有关系，Ψpd与土壤含水量呈显著相关（r=0.283，p＜0.05），各胶园间0～100 cm土层土壤含水量差异不显著，且各胶园0～100 cm土层土壤含水量的季节变化也不显著。

从整个复合系统来看，在雨季9月各胶园橡胶树的正午水势Ψmd无差异，这与雨季降水补给土壤水分充足相关，而在旱季单层橡胶林的Ψmd明显低于其它复合系统，且各胶园季节变化一致，均以复合系统橡胶树的Ψmd大于橡胶单作系统，说明南药-橡胶复合系统可以有效缓解橡胶树在旱季所受到的干旱胁迫。

3.3 橡胶树叶片δ13C与水分利用效率（WUE）的季节变化

植物叶片δ13C值和WUE的关系，在区域尺度上主要与温度、降水等气候因子及地理位置相关［24-25］，而在局域尺度上主要与本身特性及所处生境的光照和水分的可利用性相关。在局域尺度上，土壤水分条件与植物叶片δ13C值的关系更密切，是植物WUE的决定因素［25］。当植物生长受到水分条件制约时，植物可有效利用的水分减少，为了防止蒸腾作用产生的过度失水，将减小叶面积或降低气孔密度来，同时使通过气孔进入叶片的CO2减少，引起植物叶内CO2浓度下降，使叶片δ13C值与WUE升高，适应生境中水分条件的变化［23，26］，植物叶片δ13C值和WUE越高则说明植物所处生境的土壤水分含量越低。本研究中，在旱季4月份，各胶园橡胶树叶片δ13C值与橡胶树WUE显著高于其它月份，说明降水量是影响橡胶树叶片δ13C值和橡胶树WUE的重要因子，该时期降水量少干旱胁迫严重，并且橡胶树处于抽叶生长旺期，对水分需求量大，橡胶树产生高WUE的适应策略，减少对水分的需求，减缓干旱胁迫。同时，在4月份各胶园土壤含水量差异不大，此时各南药-橡胶复合系统的橡胶树叶片δ13C值和橡胶树WUE均高于橡胶单作，说明在相同的土壤水分利用条件下，南药-橡胶复合系统抗旱性优于橡胶单作。

此外，对各胶园之间的橡胶树叶片δ13C值和WUE进行比较，结果表明益-橡胶和桃-橡胶等复合系统的δ13C值和WUE显著高于橡胶单作与葛-橡胶复合系统，各胶园的土壤土壤含水量差异较小，即各胶园土壤水分利用条件大致相同，WUE越高，植物生产力也较大［26-27］，耐旱性也越强。说明南药-橡胶复合系统的模式除了葛-橡胶复合系统外对改善橡胶树WUE的成效是显著的。

以上研究表明，橡胶单作的橡胶树叶片δ13C值和WUE最低，特别是在旱季受到水分胁迫后，说明在水分限制条件下橡胶树的生产与生长都受到抑制。葛根-橡胶复合系统的δ13C值、WUE及土壤含水量与橡胶单作系统差异小且变化也相似，这说明葛-胶复合系统对缓解橡胶树在旱季受到的干旱胁迫效果不显著。益-胶和桃-胶等复合系统0～20 cm土层土壤含水量、橡胶树叶片δ13C值及WUE显著高于橡胶单作与葛根-橡胶复合系统，说明益-胶和桃-胶等复合系统的保水能力与抗旱能力优于橡胶单作与葛根-橡胶复合系统。综上所述益智-橡胶与五指毛桃-橡胶等南药-橡胶复合种植模式是值得推广的胶农复合生态系统，而葛根-橡胶复合系统的不合理性原因还有待进一步的研究。